空化現象的案例
液化天然氣輸送系統超低溫球閥介質流動仿真分析
在LNG超低溫球閥管道中的大部分位置，LNG的體積分數幾乎全部為1,但是在圖上用圓圈標記出來的位置，也就是焊接法蘭位置的縮口處，LNG的體積分數明顯低于1,說明此處確實是發生了空化現象。特別是在Q=615.25 kg/s的情況下，此時的管道前后壓差也非常大，空化現象非常明顯。
圖4 速度云圖
圖5 壓力云圖
圖6 LNG的體積分數云圖
為了更好地確定LNG超低溫球閥內部LNG發生空化的具體位置，對流場中的天然氣體積分數為10%的區域進行提取，如圖7所示。LNG超低溫球閥管道內部空化發生的位置主要位于焊接法蘭附近的縮口處，并且進口處的空化要比出口處的空化現象更加嚴重。另外，隨著LNG流量的增加，閥座的階梯槽附近也逐漸開始出現空化現象，所以在LNG超低溫球閥的使用過程中，應當避免出現流量和壓差過大的情況。
圖7 天然氣10%體積分數云圖
在輸送管道的過渡位置，比如焊接法蘭位置、閥座附近、球體附近等，由于結構發生突變，至使LNG介質在該處的壓力突然降低，導致LNG介質汽化產生空泡，并會在管道內迅速擴張。當空泡潰滅破裂時，周圍LNG液體迅速填充，碰撞球閥管道壁面，形成水擊。空泡的產生和破裂，還會對LNG超低溫球閥形成空蝕破壞，更進一步地，可能還會產生機械振動和噪聲。因此，LNG超低溫球閥在使用過程中，其流量和壓差都不應該太大，以減少空化現象的發生。
4 結語
超低溫球閥輸送LNG介質時，LNG往往會發生空化現象。
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流體力學理論教程（全英PDF）
前言
流體力學中的歐拉和朗格朗描述
連續介質的變形
流體的流變行為
流體力學中的表面張力
流動可視化
壓力場和流體加速
低雷諾數流動
可壓縮流體的通道流動
渦度
邊界層的基礎知識
湍流
邊界層控制
二次流
流體中的波
流動不穩定性
空化現象
稀薄氣體動力學
分層流
旋轉流
空氣動力學產生的聲音
磁流體動力學
空化現象.pdf
【CFD教程】水中翼型空化現象模擬
<p class="ql-align-justify"><strong style="color: rgb(89, 89, 89);">一、案例背景</strong></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(89, 89, 89);">空化是液體中出現局部低壓產生空泡的現象，比如螺旋槳、水泵等空化會造成金屬腐蝕。通過本案例模擬，將定性地看到具有翼型截面的水泵葉片高速運動時，表面出現的低壓空泡區域。
展開 智能熱流體仿真軟件AICFD 2023R2新版本功能介紹
（a）體積分數云圖（紅色為水，藍色為空氣）
（b）總阻力仿真結果與實驗對比
圖6 船舶靜水阻力計算
5）
新增多相流VOF空化模型（BETA版），可模擬空化現象
在多相流VOF模型的基礎上，AICFD 2023R2新增Zwart空化模型（BETA版），可用于模擬旋轉機械中由于壓力快速改變引起的空泡產生和破裂現象（即空化現象），并評估空化對旋轉機械效率的影響。
圖7 翼型流動仿真與實驗結果對比，得到的空穴長度相對試驗值的誤差小于10%
6）新增代數多重網格（AMG）預處理策略（BETA版），提升收斂速度
大規模稀疏線性方程組的求解是流體仿真的關鍵技術之一，AICFD采用的是共軛梯度(CG)類迭代法求解技術，并采用合適的預處理策略改善稀疏矩陣的條件數，從而提升迭代法的收斂性和可靠性。AICFD 2023R2新增代數多重網格（AMG）預處理策略，可有效加快收斂速度，相對現有的預處理策略（不完全Cholesky分解，IC）計算時間減少約20%，幫助用戶高效完成數值模擬和分析工作。
圖8 以汽車外氣動阻力仿真為例，在不同網格規模下，AMG-CG算法與IC-CG算法比較
7）
優化AI預測算法，高效精準預測多變量問題
AICFD的AI預測功能突破了傳統仿真模式的限制，可基于歷史計算樣本，通過輸入計算變量，實現三維全流場信息的秒級預測。AI預測包含采樣和訓練功能，可進行歷史計算樣本的積累、追加、模型訓練。AICFD 2023R2針對多變量預測問題：
■ 優化采樣算法，進一步提升樣本豐富性；
■ 優化預測算法，有效平衡變量權重，提升預測精度。
展開 
【CFD專欄】基于CFD仿真、元建模和貝葉斯推斷方法的離心泵優化設計
內部流場分析
圖：空化氣泡分布：a.基線，b.優化（7個葉片）
如圖所示，基準設計中的葉片前緣空化現象明顯；優化設計方案中，葉片前緣空化現象明顯改善。
圖：優化設計的性能曲線
從性能曲線可以看出，所有改進方案中空化現象明顯減少，在整個運行范圍內揚程提高。
流體動力空化：機制和應用
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
流體動力空化是流體介質在非常低的壓力下的破裂。
流體動力空化涉及三種機制：成核、氣泡生長和氣泡內爆。
流體動力空化用于聚合和解聚、微生物細胞破碎和脂肪酸水解。
渦輪機是水動力空化應用的一個例子
我們使用各種機器來引起流體的壓力和速度變化。這些機器的一些常見示例是渦輪機、螺旋槳、泵和軸承。在這些機器中，只要機器中使用的流體經歷壓力和速度波動，就會發生氣蝕。流體動力空化是當低壓區域在流體裝置中發展并形成蒸汽空腔時發生的一種空化。
空化
泵、軸承和螺旋槳都使用與其運行相關的流體。每當流體的壓力和速度波動時，流體中就會產生空化現象。在空化中，壓力在恒定的環境溫度下下降到較低水平。
空化是一種兩相流體流動現象。通常，使用自由流空化數來描述空化。該數字是流體流動的靜壓頭與其動壓頭之比。
有趣的事實： 當在山頂使用水壺時，氣穴現象是在較低溫度下煮水的原理的背后原因。
氣蝕類型
空化用于廢水處理、藥物輸送、巖石切割、鋼板切割、船用螺旋槳和閥門等。通常，空化包括氣泡或空腔的產生、生長和快速破裂。空腔的坍塌會引起諸如高剪切力、極端溫度、沖擊波、湍流和流體中的極端壓力等影響。
在四種類型（粒子、光學、超聲波、流體動力）中，后兩種類型的空化被廣泛使用。
超聲波空化 -超聲波空化是由于超聲波在流體中傳播引起的壓力波動而產生的。超聲空化有時稱為聲空化。
流體動力空化 -在流體動力空化中，運動中的流體在速度剖面上發生快速變化，這會導致局部壓降。
展開 Simcenter Amesim在流體部件開發上的應用--液壓泵/壓縮機
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液壓建模
對于液壓建模應用，根據可獲取的仿真參數和分析物理現象的動態特性，Simcenter Amesim提供了三個專業庫，以滿足用戶的不同仿真需求。
功能模型
對泵、閥門、蓄能器等部件的系統級行為特性進行描述，大部分特性數據可以通過測試或者技術規格書獲取。
考慮局部壓力損失的液壓阻力
由于彎頭、T形接頭和其他管道突變的幾何形狀變化而導致的系統局部損失。比如在液壓泵的詳細分析中，泵的低壓入口處在大流量時容易產生相對負壓和氣穴空化現象，此時局部管路的詳細建模分析是必須的。
對于復雜的管道幾何形狀，工程師可以使用（CAD）導入功能，在Simcenter Amesim中輕松建立并參數化模型
最后，液壓元件設計庫包括許多基于幾何尺寸的模型，以充分表示在液壓滑閥、平板閥、密封泄漏及泵中的流動路徑。這個專業庫適用于液壓元件的設計和優化。
對于正排量泵，當CAD圖紙還不可用時，可以在前期設計階段使用完全集成的功能模型，以便在Simcenter Amesim預處理應用程序的支持下對不同的幾何選擇進行性能測試，以促進模型參數化。
一旦泵圖紙可用，CAD導入功能允許用戶通過直接檢索其幾何圖形自動生成模型并參數化泵模型。高級流體屬性的計算必須始終遵循質量和能量守恒熱力學原理，從而允許您預測可能發生的氣穴空化現象，例如：具有較高轉速的泵入口處。
對于適用于液壓泵全動力學分析的最復雜的氣穴模型，總空氣量和未溶解空氣量是根據質量守恒定律計算的獨立變量。
展開 用9億網格模擬近壁面空泡潰滅過程：空泡，空泡潰滅！（轉載）
這樣美好的現象并不能讓人聯想到“殺傷力”、“致命”等恐怖的詞匯。不過，今天我們要談論的空泡，就是一種致命武器，上能威脅火箭，下能五洋捉魚。
日本H-2型號火箭在發射過程中，由于發動機提供的推力不足，導致火箭在空中解體。經調查主要原因是非穩態空泡引起了軸流泵誘導輪的振動破壞，導致發動機推進系統效率大大降低。
圖1 日本H-2火箭發射失敗（圖片來源：https://v.youku.com/v_show/id_XMzc0NjA2NTE5Ng==.html）
海洋中的一些蝦類體積小巧，看似“人畜無害”，實則非常兇猛。以雀尾螳螂蝦為典型，它們把空泡作為絕妙的武器。
雀尾螳螂蝦在美麗的外表下，有一個“暴力的心”，當利用巨大的錘肢敲打如螃蟹等獵物時，可以輕易地擊碎蟹殼。因為錘肢撞擊在蟹殼表面產生低壓區，生成空化現象，空泡潰滅產生潰滅高壓，從而引起了蟹殼破壞。
圖2依靠高速射流空泡捕食 （圖片來源：https://v.youku.com/v_show/id_XMzAwNzI1NjE4OA==.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_5.dtitle）
圖3 雀尾螳螂蝦敲打貝殼產生的空化現象（圖片來源：https://v.youku.com/v_show/id_XMzEzODQ4NTcxMg==.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_1.dtitle）
空泡有這么大殺傷力，那么它的形成機制到底是什么呢？
空泡是怎么形成的？
想要弄懂空泡的形成機制，首先要明白空化的原理。
空化與液體沸騰類似，都是由液態到氣態的相變現象。例如水，在標準大氣壓下，溫度升高到100攝氏度以上就會發生沸騰。
展開 Cradle scFLOW V14 新功能介紹
案例:NAA00 15型翼型的空化性能評價
空化模型支持自由液面模型。
目的是同時分析螺旋槳產生的波浪和空化現象。
可壓縮空化模型與自由液面不兼容。
案例: 半浸式螺旋槳空化分析
粉紅色為空化等值面
08液膜模型（Liquid film analysis）
可以分析液滴附著在壁上產生的液膜
- 粒子碰到壁面生成液膜.
- 液膜考慮二維模型.
- 可考慮溫度 *.
- 可考慮液膜蒸發*.
注：液膜速度不影響主流流體速度。
案例：水滴在管道中噴灑形成液膜案例
09增強密度基求解器（Enhanced density-based solver）密度基求解器增加了新功能.
展開 Comsol超聲空化仿真分析氣泡運動 ￥2200
超聲空化是一種重要的物理機理。超聲空化是指液體介質中的微小氣泡核在強超聲波的作用下,氣泡體積經歷生長振蕩而最終迅速崩潰的過程。在超聲空化氣泡的崩潰過程中,會在非常有限的體積內瞬間產生巨大的壓力梯度和溫度梯度,從而引發系列的化學、物理和生物等效應,如對金屬表面的腐蝕,光脈沖輻射的產生,化學反應速率的加快,生物組織結構的改變等。超聲空化過程是眾多空化氣泡的動力學過程,對單一空化氣泡的動態過程研究不僅是研究多個氣泡空化的起點,而且是研究系列超聲空化現象的基礎。
其主要的控制方程如下：
本模型調用系數型邊界偏微分方程和動網格，展示了氣泡在超聲空化過程中的變化：
兩個周期振蕩過程中，氣泡的半徑與初始半徑比值的動態變化。
這是氣泡動能的變化 ，相比較，隨著振動周期，氣泡動能也在增加。
有興趣的可以加我，交流模型。
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Flownex軟件能模擬整個暖通空調系統：能計算建筑物內空氣的熱負荷、溫度、壓力和濕度，分選風扇、百葉窗及管網系統，設計換熱器和循環率及控制策略；能計算加熱/冷卻水系統中管內流速和壓降，選擇泵和閥及控制策略，預測空化現象及水錘現象等；能模擬制冷機組壓氣機性能，計算機組溫度和壓力，設計制冷循環（包括壓縮和膨脹），并設計蒸發器等；能計算冷卻塔尺寸，計算蒸發率隨環境濕球溫度的變化函數，選擇合理的泵和風扇，優化系統運行效率。
Flownex軟件在能夠幫助設計礦井水處理系統，包括泵、水輪機和管路的設計，能夠分析水錘現象及其預防，能夠對礦井水網系統進行分析和設計；Flownex軟件能夠對礦井制冷供暖系統進行系統仿真和綜合評價，計算系統熱負荷、設計熱交換器，并優化環境-冷卻塔-工廠整體系統；同時，Flownex軟件還能追蹤污染物、分析礦井深度與通風溫度及濕度的變化等。
Flownex能與Ansys、MATLAB、Simulink以及Labview等軟件進行方便的數據交換。Flownex具備完善的可視化后處理功能，能方便的進行2D/3D結果顯示。
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MSI 利用 STAR-CCM+? 進行復雜水泵水力分析
由于水泵的軸向尺寸有限，因此在進口和渦殼附近可觀察到一定的回流現象。盡管不希望看到流動不均勻性，但也只能接受，因為有限的軸向空間已經無法提供均勻流所需的更大軸向空間。圖 3 顯示了葉輪汽相體積分數云圖，其中，藍色區域代表水，紅色區域代表水汽。圖中可以看出進口壓力較高時(175kPa)空化作用極其微小，隨著進口總壓力減小，葉輪空化現象開始變得明顯。
圖2：中心平面處以卷積方式顯示的速度云圖（LIC）
圖3：葉輪上的汽相體積分數云圖顯示處于不同進口總壓力工況下的空化情況
圖 4 顯示了制造商試驗測得的空化余量(NPSH)和 STAR-CCM+ 在不同質量流率下計算得到的空化余量的對比圖。STAR-CCM+ 能夠精確捕捉較低 NPSH 和較低進水壓力條件下水泵性能的拐點并且能夠與實驗數據進行準確比較。利用 STAR-CCM+，MSI 公司能夠在 70%、110% 和 150% 的質量流速條件下生成 NPSH 變化數值曲線。根據 STAR-CCM+ 的模擬結果，客戶可以做出明確的水泵設計和方案決定，包括空化性能。
圖4：STAR-CCM+ 數據和測試數據之間的空化拐點曲線對比，顯示了在不同的三種流速工況下，空化余量（NPSH）與水頭下降的對比關系
案例研究 2：立式防洪泵
本案例聚焦位于新奧爾良的大型軸流泵，專為在惡劣氣候條件提供持久的性能而設計。這些新設計的立式防洪泵用于在洪水期間將城市中多余的水清除干凈。但防洪泵在運轉期間輸出不穩定且受到非定常力的作用，從而導致共振和振動等問題，為此 MSI 公司受托對水泵作相關設計分析。水泵包括一個大的進口、直徑一米多的葉輪、葉片擴壓器、內軸、由導流葉片支撐的過流葉片以及出口虹吸管等。
展開 如何使用 CFD 解決泵和螺旋槳設計中的氣蝕問題
作者：Wout Poncelet，Cadence 產品工程經理
氣蝕是一種現象，其中流體壓力的快速變化導致在壓力相對較低的地方形成充滿蒸汽的空腔或氣泡。由于氣泡在承受較高壓力時內爆，可能會導致結構損壞，但也會導致不穩定和噪音增加。盡管如此，它仍然是 CFD 工程師必須解決的最具挑戰性的主題之一。它發生在許多領域，例如船用螺旋槳、水翼、魚雷、泵等。許多出版物都涵蓋了該主題，有時從另一個角度，從空化開始到其實際物理建模，使用實用的方法或更復雜的模型。Cadence 希望通過這篇博客文章分享其一些專業知識， 總結最先進的 CFD 技術 用于氣蝕預測并涵蓋不同的應用和 CFD 功能，以滿足工程師的需求。
空化起始
為了最初研究空化的產生，工程師可能會傾向于只查看 3D 場中的壓力水平。標記出總壓力標量場低于蒸氣壓的所有位置，以便可以計算可能發生空化的總體積。這種方法無法準確預測空化及其后果，但它已經可以提供良好的洞察力。這就是 Naval Group 的 Sirehna 在 2016 年 Nutts 出版物中所做的。無論選擇哪種方法，精確的壓力場都是必要的。因此，他們使用了動態和局部細化的網格方法，其中壓力粗麻布是最重要的。
無局部細化（左）和動態網格自適應（右）
空化建模
為了模擬空化的物理現象，第一種方法使用單一流體方法。密度和靜壓的演變通過強大的正壓定律聯系起來，從而能夠對空化現象進行宏觀模擬1。用戶輸入很少，并且不需要額外的傳輸方程。正壓定律用于評估作為單元中局部靜壓函數的局部密度。根據密度的局部值和相應的蒸氣壓，計算單元可以被認為完全充滿液體（= L）、蒸氣（= V）或兩者的混合物。基本余弦函數確定混合區域中正壓定律的輪廓。
在下面的例子中可以很容易地理解正壓定律方法，它顯示了密度和局部壓力之間的直接關系。
展開 銳緣孔氣穴現象模擬：低入口壓力
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例模擬了低入口壓力條件下的管道內空化現象。
計算域：L1=1.60cm，L2=3.20cm，r1=1.15cm，r2=0.40cm
物質屬性：水密度為1000kg/m3，粘度為0.001kg/m-s；水蒸汽密度為0.02558kg/m3，粘度為1.26e-6kg/m-s
邊界條件：入口壓力為250000Pa，出口壓力為95000Pa，溫度為300K，汽化壓力為3540Pa
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為3525
計算設置
本次計算為穩態軸對稱計算。
展開 2018 ANSYS名人堂商業類一等獎展示
利用動網格VOF LES診斷法研究噴油器結焦以及汽油缸內直噴過程中的PN排放現象
問題：
自2015年9月的“柴油排放門”事件后，汽油缸內直噴（GDI）客車發動機市場正經歷著快速、顯著的增長階段。未來幾年內這種增長趨勢還會繼續，因為輕型柴油城市車輛將逐漸被汽油動力車輛所替代。GDI發動機的尾氣排放在很大程度上取決于噴油器設計和噴霧性能。主要的研發挑戰在于避免噴油嘴結焦，這不僅會導致更多的PN/PM排放，并且還會在整個使用期影響發動機的性能穩定性。此問題與噴油器閉合處發生的高度復雜的多相流現象有關。直到現在尚未出現一種有效的測量技術，可用于分析噴油嘴內部的渦流結構、動力學和空化的相互作用等特性，以及它們對噴霧形成的直接影響。現有的最先進診斷技術只能非常有限地研究噴油器打開和關閉過程中的流動和噴霧現象，而且很難解決噴油器噴嘴周圍、噴霧孔中和噴嘴埋頭孔中的流動細節問題。
解決方案：
在VOF LES方法中，用于界面跟蹤的流體體積（VOF）法與高分辨率大渦仿真（LES）相結合，可求解湍流尺度、與空化的相互作用以及噴嘴附近的噴霧結構。因此，仿真結果可針對噴嘴流和噴霧形成過程提供局部精細的診斷。該信息可用于噴嘴設計調整和噴霧控制。與移動網格仿真相結合時，VOF LES方法可在噴油過程開始和結束時針對動態針閥工作條件提供相應的診斷。它還能夠研究多種現象，包括腔填充和腔抽空過程、噴嘴附近的氣體夾帶和針閥閉合后的燃料吸入現象。所有這些過程都對整個使用期內的發動機排放和排放穩定性具有關鍵影響。
業務優勢：
移動網格VOF LES仿真方法能夠更好地替代現有的高級測量技術，用于診斷整個噴油過程中的GDI噴嘴流、空化現象和噴霧動力學。該工具已被用于支持噴嘴研發、創新和客戶項目。高分辨率LES技術能夠提供物理信息并確定產品設計的有效評估標準。
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